【研究成果】運用電子的兄弟「緲子」 更精準測量氦原子核大小

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  王作城 (科學推展中心特約編輯)


紀錄緲子與氦原子核結合形成帶正電氦離子的實驗結果,其中突起的部分代表成功受到雷射光誘導發射的事件。

 

你知道緲子是什麼嗎?緲子是電子的「兄弟」,但是它的質量比電子重了大約兩百倍,而且壽命極短。那緲子有什麼作用?清華大學劉怡維教授參與在瑞典保羅謝爾研究所進行的跨國研究,以緲子更精準測量氦原子核大小,精度達到過去的五倍,量出來的值為1.67824 飛米(一飛米為10-15公尺)。

或許也會有人問,為什麼要測量氦原子核的大小?氦原子核又稱α粒子,如果高中物理課沒有睡覺,大概還記得拉塞福就是用α粒子轟擊金箔,發現大多數粒子維持原本的運動方向,只有少部分偏移,藉此確定原子核的存在。

一個世紀過去後,我們已經知道大霹靂後最初形成的原子核約有1/4是氦原子核,氦原子核由兩個質子跟兩個中子組成,還有氦是在宇宙中含量僅次於氫的元素。

因此,如果能了解氦原子核的特性,對於基礎物理學來說至關重要。就像這次的研究成果,如果我們能量測氦原子核的半徑,那也能用以檢驗其他輕原子核的半徑,並且檢驗過去的預測。更進一步,我們能更了解原子核,而且或許也能更深刻地理解質子與中子之間的強核力。

說了這麼多,這次的實驗是怎麼做的呢?

一般而言,就像我們在高中物理課學到的一樣,氦原子核外面有兩個帶負電的電子圍繞著它運行。但是,這次的實驗裡,研究人員們用緲子射向一個充滿氦氣的小房間,如果「條件合適」,就會取代電子跟氦氣結合,同時緲子會失去能量,而在這過程中另一個電子也會從原子核射出,因此形成一個帶正電的氦離子。

當然,這絕非易事。這也是把研究地點選在保羅謝爾研究所的主因:那裏可以提供比其他類似地點更多的緲子。

這一步之後才是關鍵,因為緲子壽命很短,有多短呢?在衰變前只有兩微秒的壽命(1微秒為10-6秒),而前述緲子與氦原子核結合形成帶正電氦離子的過程更是只有1微秒。研究人員要在這1微秒的時間內,發射正確頻率的雷射光,之後紀錄成功受到雷射光激發後,從氦離子發射的單個X射線光子,以及緲子衰變後產生的電子。

由於緲子的質量是電子的兩百倍,因此它跟原子核的距離也是電子的兩百倍,而又因為如此,雷射光對原子核的敏感度是普通氦離子的800倍。不過,就算如此,也只有8/50000的機率會成功。而也正是靠著研究人員的努力,才能達到這樣的成果。

下一步呢?下一步能做什麼研究?研究人員說,下一步會是質子的磁半徑測量,但因為質子更小,所以需要比這次研究還強十倍的雷射。對於他們的成果,我們也拭目以待。


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